http://dx.doi.org/10.5763/kjsm.2015.33.2.59 pISSN 1226-3729 eISSN 2288-6028
Tensiomyography: 근육손상의 새로운 평가 방법
을지대학교 의과대학 생리학교실
1, 순천향대학교 스포츠의학과
2, 고려대학교 사회체육학과
3, 대전 튼튼병원
4김 찬
1
ㆍ채정훈2
ㆍ김보경3
ㆍ김철현2
ㆍ배상원4
A Novel Method for the Assessment of Muscle Injuries
Chan Kim 1 , Jung Hoon Chai 2 , Bo Kyeong Kim 3 , Chul Hyun Kim 2 , Sang Won Bae 4
1
Department of Physiology and Biophysics, Eulji University School of Medicine, Daejeon,
2Department of Sports Medicine, Soonchunyang University, Asan,
3Department of Social Physical Education, Korea Unversity, Seoul,
4
Daejeon Teun Teun Hospital, Daejeon, Korea
Muscle injuries are very common in sports fields so diagnosis and prevention of them are as important as treatment in sports medicine. Many other devices for muscle diagnostics are provided, but non-invasiveness, cost, validity and reliability become a good measure of diagnosing and monitoring athletes. Tensiomyography (TMG) has been developed in the late 1980s to evaluate deficient muscle initially, and it was introduced into sports medicine and athletic training. It is a simple to use selective and non-invasive for measuring a skeletal muscle response. The method is based on the measurement of the radial displacement of muscle belly, which is caused by an electrical stimulator. The displacement is measured with an electric sensor which is connected to a computer system. It gives the information of maximal displacement of the belly (Dm) with following time parameters: delay time, contraction time (Tc), sustain time, and relaxation time. TMG studies usually focus on two common parameters: Tc and Dm.
An increase in Tc indicates a muscle with a predominance of slow-twitch fibers. A decrease in Dm indicates an increase in muscle stiffness or tone. Other studies have been mainly associated with physiological characteristics of muscles, risk factors for muscle or ligament injuries, muscle fatigue, and muscle diseases such as multiple sclerosis. We think the application of TMG to the sports field can reduce the risk of sports injuries and increase performance of athletes. In medical field, it allows functional diagnosis of muscle strain, monitoring rehabilitation, and modifying treatment strategy effectively.
Keywords: Muscle injury, Tensiomyography, Muscle belly, Noninvasive
Received: November 16, 2015 Revised: November 27, 2015 Accepted: November 29, 2015
Correspondence: Sang Won Bae
Daejeon Teun Teun Hospital, 7 Mokjung-ro 19beon-gil, Jung-gu, Daejeon 34815, Korea
Tel: +82-42-220-2311, Fax: +82-42-220-2300 E-mail: [email protected]
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CC
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근 진단학(Muscle diagnostics)과
Tensiomyography (TMG)
보다 빠르게, 보다 높게, 보다 강하게(Citius, Altius, Fortius)!
쿠베르탱 남작이 1894년 제안한 올림픽의 모토이다. 올림픽
뿐만 아니라 모든 경기의 운동선수들은 이를 위하여 훈련하고
경기에 임한다. 하지만 과도한 훈련이나 지나친 경쟁 등의
이유로 선수들은 부상을 입고 , 이는 선수 본인 외에 팀 전체와
구단에도 큰 영향을 미친다. 따라서 선수들의 부상 예방이나
Fig. 1. System components of TMG include ➀ sensor, ➁ elec- trodes, ➂ electrical stimulator, and ➃ notebook (user inter- face). TMG: tensiomyography.
방지, 부상당한 선수의 올바른 재활을 통한 경기장으로의 빠른 복귀는 스포츠의학 전문가들의 가장 중요한 과제 중 하나이다 . 보다 빠르고, 높고, 강하도록 해주는 것은 인체의 모든 기능 이 조화를 이루어야 하겠지만 , 그 중에서도 근골격계의 역할이 가장 크다 할 수 있을 것이며 , 그렇기 때문에 근골격계가 운동 손상 및 치료의 핵심이 된다 1,2) . 골절이나 인대손상 시에도 근육은 직간접적인 손상을 받으며 치료기간 동안 근위축이 되므로, 근기능의 진단은 매우 유용할 뿐 아니라 치료의 시작 이 된다.
구조의 차이에서 기능이 차별화된다는 관점에서 시작된 형태진단학(morphologic diagnostics)의 근생검은 분자생물학 의 발전과 더불어 많은 발전을 하였지만, 최근에는 영상학과 전자기학의 발전을 기반으로 하는 비침습적 진단 방법이 대세 를 이루고 있다. 초음파, 자기공명영상(magnetic resonance ima- ging, MRI), 근전도 등은 기본이며, 표면근전도(surface electro- myogram, sEMG), sonomyogram (SMG), tensiomyogram (TMG), mechanomyogram (MMG), electrical impedance myography (EIM), myotonometer 등을 이용하여 근기능을 평가하고 있다 3) . MRI는 높은 해상도를 갖고 있어 선호되고 있지만 경제적인 면에서도 부담될 뿐 아니라, Ekstrand 등 2) 은 프로축구 선수의 넙다리뒤근육(hamstring) 손상과 MRI 소견을 비교한 연구에서 손상의 70%가 grade 0 또는 grade 1으로 MRI 상에서 큰 의미가 없었다고 하였다. sEMG의 경우 외부 잡음이나 간섭에 민감하 여 환경적 제한과 적용 범위에 제한이 크며 신호처리와 분석이 복잡한 단점이 있다 4) . EIM은 근기능의 평가를 위해 고안된 장비가 아니라 체성분 분석기기로서, 체수분 상태(발한, 피부 건조도 , 배뇨 등)에 민감하고, 큰 손상에 의한 부종 및 회복에 국한된 평가가 가능하며 근기능과 관련된 지표를 갖고 있지 못하다는 단점이 있다. Myotonometer는 기기의 숙달이 필요하 여 측정자간 오차가 클 수 있고 , 근육의 경직도와 피로도 측정
에 국한되어 있다. 한편 MMG와 TMG는 기계적 신호이므로 외부잡음에 민감하지 않고 피부저항이나 발한 등에 영향을 받지 않으며 큰 숙련도가 필요치 않은 장점을 갖고 있다 3,5) . 하지만 MMG는 피험자간 변이가 매우 크고, 그 스펙트럼이 매우 일관성이 없다는 단점이 있다 3) . 반면 TMG는 비침습적으 로 특정 근육에의 접근이 수월하고 , 현장 적응력이 클 뿐 아니 라 지속적 측정이 편하며, 지표가 간단하고 근기능을 이해하기 쉽다는 장점이 있어, 본 고에 소개하는 바이다.
TMG의 측정: 구성 및 지표
TMG는 tensiomyography의 약어로, 아직 한국어로 번역된 용어가 확립되지 않았지만 굳이 번역하자면 “근장력계(筋張 力計)” 정도가 될 것이다. TMG 방법은 Ljubljana 대학(슬로베 니아 소재)의 전자공학과와 재활연구소, Valdoltra 정형외과 병원과 슬로베니아 올림픽 위원회 등의 많은 연구와 지원으로 개발된, 골격근의 수축특성을 측정하는 새로운 방법이다. 1980 년대 후반에 의학적으로 사용하기 위해 고안되었지만, 1996년 에 스포츠의학 및 선수훈련을 위한 방법으로 소개되었다 6) .
TMG는 측정하고자 하는 근육의 배위(muscle belly) 위에 센서(sensor)를 고정한 후, 그로부터 5–6 cm 떨어진 근위부와 원위부에 각각 전극(electodes)을 부착하고, 전기자극기 (electrical stimulator)를 통해 1 ms의 전기적인 자극을 주었을 때 시간에 따른 배위의 변위(displacement)를 측정하는 것이다 (Fig. 1). 센서의 부착 부위는 Delagi와 Perotto 7) 에 의해 제시된 지침을 따르며 , 이에 기초한 각 근육의 부착부위 사진이 인터 페이스에 제공되고 있어 매우 편리하게 측정이 가능하다. 측정 의 기본 자세는 누운 자세이며, 센서는 근 배위에 수직으로 위치시킨다(Fig. 2).
전기자극에 의해 수축(twitch)되는 근육의 움직임을 TMG
Fig. 2. Positioning of the subject during rectus femoris (A) and biceps femoris (B) measurements.
Fig. 3. TMG record with parameters’ definitions. TMG: ten- siomyography, Dm: maximal displacement, Td: delay time, Tc: contraction time, Ts: sustain time, Tr: relaxation time.
sensor와 컴퓨터의 소프트웨어를 통해 그래프 및 수치로 나타 내어주며 , 이때 확인할 수 있는 지표들은 다음의 5개이다(Fig.
3).
(1) Displace maximum (Dm): 근수축에 의한 배위의 최대 이동거리(mm), (2) Delay time (Td): Dm의 10%에 이르는 시간, (3) Contraction time (Tc): Dm의 10%에서 90%까지 이르는 시간 , (4) Sustain time (Ts): 50% 수축과 50% 이완 사이의 시간, (5) Relaxation time (Tr): 이완의 90%에서 50%에 이르는 시간.
TMG를 이용한 연구 소개
TMG를 이용한 연구의 주제들은 (1) 생리적 연구, (2) 근 손상과 근 피로, (3) 인대 손상, (4) 근육 관련 질환, (5) TMG 기계의 타당도와 신뢰도의 측정 등으로 나눌 수 있으며 그 중 생리적 연구가 가장 많이 이루어져 왔다 . 아직 많은 연구가 이루어지지 않았을 뿐 아니라 국내에 처음 소개하는 것이므로 , 그 간의 연구결과를 체계적으로 정리하기보다는 본 고를 통하 여 향후 TMG 관련 연구 문헌의 이해 및 나아가 TMG 연구 실행에 도움이 되었으면 한다.
수축시간(Tc)은 초창기부터 가장 중요한 지표로 인식되어 왔는데, type I 근섬유, 즉 지근섬유가 많을수록 Tc가 길어지고 반대로 type II 근섬유(속근섬유)가 많을수록 Tc가 짧을 것이란 가설로 연구가 진행되었다. TMG를 개발한 Valencic과 Knez 8) 는 속근섬유가 많다고 알려진 넙다리네갈래근(대퇴사두근, quadriceps)과 위팔노근(상완요골근, brachioradialis)에서의 수 축속도가, 지근섬유가 많은 것으로 알려진 가자미근(soleus) 보다 4–5배 빠르고, 중간적 분포를 보이는 장딴지근(비복근,
gastrocnemius)나 앞정강근(전경골근, tibialis anterior) 보다 2배 정도 빠르다고 보고하였고, Dahmane 등 9) 은 17–40세에 급사한 사체에서 다양한 근육을 채취하여 조직화학적 분석한 결과와, 같은 연령대의 건강한 사람들을 대상으로 TMG를 측정한 결과 를 비교하였는데, 지근섬유%와 TMG의 Tc간에 매우 높은 상관계수(r=0.93)를 보고하였다. 이어 Valencic 등 10) 도 0.90, Dahmane 등 11) 은 0.76–0.90의 상관관계를 각각 보고하였고, Simunic 등 12) 은 Myosin heavy chain I (MHC-I)의 비율과 TMG의 변인들 간의 유의한 상관관계(Tc: 0.878, Tr: 0.699, Td: 0.612)와 다중회귀분석의 높은 결정계수(R 2 =0.87) 등을 보고하였다.
Pisot 등 13) 은 9세 어린이 187명을 대상으로 TMG (상지근,
하지근 , 척추기립근) 측정 및 스프린트 수행 후, 세 집단(가장
빠른, 평균적인, 그리고 가장 느린 어린이들)의 TMG 자료를
Fig. 4. TMG responses in 9-year-old children. TMG: ten- siomyography (adapted from Pisot et al. Kinesiology 2004;36:90-7).
13)비교하였다. 이 연구는 TMG 연구 중 가장 어린 피험자를 대상으로 한 것으로 , 빠른 어린이일수록 상지근, 하지근, 척추 기립근 모두에서 큰 Dm 값과 낮은 Td, Tc 값을 가졌는데(Fig.
4), 이는 빠른 운동수행능력과 TMG를 통한 근수축 특성이 일치하는 결과이다.
한편 전기자극 시 근 배위의 최대 이동거리인 Dm의 의미를 부각시켜준 최초의 연구는 35일간 침상안정(bed rest)을 통한 근 위축 연구이다 14) . 잘 알려진 대로 침상안정 연구는 무중력 (microgravity) 상태를 유사하게 재현하는 연구로, 무중력 상태 를 경험한 우주비행사 혹은 장기간의 침상안정 후에 상지근육 (예: 이두박근)은 영향을 받지 않지만, 반중력근(anti-gravity muscles)에서 심한 위축이 발생하며, 특히 속근(type II muscle) 의 단면적의 감소가 큰 것으로 알려져 있다 15,16) . 또한 근육의 긴장도(tone)와 강직도(stiffness)가 클수록, 근육이 크기가 클 수록(more hypertrophied) 위축이 크게 발생한다 15,16) . 35일간의 침상안정 후에 피험자들의 TMG 분석 결과, 이두박근에서는 변화가 없었지만 , 대표적인 반중력근인 장딴지근, 안쪽넓은근 (내측광근, Vastus medialis) 등에서 Dm이 크게 증가하였다.
또한 침상안정 전의 Dm 값이 작을수록 침상안정 후 Dm의 증가폭이 컸으며, 초음파로 측정한 근 배위의 두께의 감소가 클수록 Dm의 증가폭이 컸다 14) . 이 연구에서 (1) 근 위축이 심할수록 Dm이 크게 증가하며, (2) 근육의 긴장도, 강직도, 비후도가 클수록 Dm이 작게 측정됨을 알 수 있다. 즉 침상안정 으로 근육이 위축되고 건 강직도(tendon stiffness)가 감소하면 Dm이 증가한다.
Hunter 등 17) 은 등속성 기구를 이용한 최대신장수축(maximal eccentric contraction)을 통해 근손상을 유발한 뒤, 운동유발성 근손상(exercise-induced muscle damage, EIMD)의 표지자 (markers)로 잘 알려진 최대수의수축(maximal voluntary con- traction, MVC), 혈장 creatine kinase, 근육통(muscle soreness) 등을 TMG 의 주요 지표인 Dm, Tc 등과 비교함으로써, 특히 Dm이 운동유발성 근손상(EIMD) 후 근기능의 손상 및 회복을 효과적으로 감지할 수 있다고 하였다.
근 피로는 과도한 훈련이나 경쟁으로 유발되며, 운동 손상
으로 이어질 위험이 높으므로, 사전에 피로 정도를 모니터링
할 수 있다면 매우 유용할 것이다 . Krizaj 등 18) 은 TMG의 Dm과
Tr이 근 피로도(muscle fatigue rate)를 가장 효율적으로 측정할 수 있다고 주장하였고, Macgregor 등 19) 은 전기자극으로 근 피로를 유도하였을 때 최대수의수축 감소 및 passive muscle tension (PMT) 증가와 함께 TMG의 Dm이 유의하게 감소하였음 을 보고하면서, TMG의 피로 감지 능력을 주장하였다. 한편 Rodriguez Ruiz 등 20) 은 비치발리볼 선수들의 넙다리근육을 TMG로 분석한 결과 TMG가 근 강직도와 좌우 대칭성, 및 기능적 대칭성 등을 측정할 수 있다고 하였다. 특히 강직도가 증가한 경우(Dm의 감소), 좌우 대칭성이 깨지거나(<80%), 길항근 혹은 협동근 간의 기능적 대칭성이 깨진 경우(<65%) 통증을 생길 수 있고, 부상의 위험이 증가함을 경고하면서 TMG의 모니터링을 통하여 운동손상의 위험을 줄이고 운동수 행능력을 향상시킬 수 있다고 주장하였다.
TMG 개발의 최초 목적은 근육질환의 진단을 위해서였으 나, 실제로 질환 관련 연구는 2005년에 마비성 회색질척수염 (paralytic poliomyelitis) 환자를 대상으로 처음 보고되었다. 이 연구에서는 넙다리곧은근(rectus femoris)에 최대하 강직성 자 극을 통해 TMG의 Dm이 0.5 mm 미만에 이르는 시간을 “TMG 근지구력 시간(TMG endurance time)”이라고 정하여, Biodex를 이용한 근지구력 시간(biodex endurance time, 단위: sec)과 비교 하였다 21) . 한편 Rusu 등 22) 은 60세의 제2형 당뇨병, 당뇨병성 다발신경병증 환자를 대상으로 한 증례 연구에서, 임상증상 발병 전에 다발신경병증을 사전에 예측하는데 TMG가 도움을 줄 것이라고 주장하였다. Neamtu 등 23) 은 다발성경화증 환자 중 보행장애가 있는 집단과 보행장애가 없는 집단의 TMG 지표들을 비교 분석함으로써, 다발성경화증 환자의 근육에서 의 형태기능학적 변화를 TMG를 이용하여 조기 발견할 수 있음을 시사하였다. Neamtu 등 24,25) 은 다발성경화증 환자들을 대상으로 보행분석자료, 시각유발 전위검사(visual evoked potentials, VEP), 및 TMG 자료를 비교 분석함으로써, 향후에 다른 임상적 변화가 없을지라도 간편하고 비침습적인 TMG 분석을 통해 보행 장애를 조기에 예측하고, 신경근 조절 및 협응력을 위한 훈련 프로토콜을 개발하는데 유용할 것이라고 주장하였다.
한편 Ruiz 등 26) 은 TMG를 이용하여 연령이 증가함에 따라 어떤 근육에 변화가 생기는지를 알아보는 재미있는 연구를 진행하였다. 10대–20대–0대–70대의 연령군으로 나누어, 무 릎의 굴곡근(knee flexor)과 신전근(extensor)의 TMG 자료를 분석하였는데, 넙다리두갈래근에서는 연령의 증가와 무관한 반면 가쪽넓은근(vastus lateralis)에서는 양쪽 모두에서 연령의 증가에 따라 수축속도가 감소하였다.
TMG는 인대 손상 시 감소된 근기능의 측정 도구로도 사용 되고 있는데 , 주로 축구 선수들에 많이 발생하는 전방십자인대 손상에 대한 하지 근육의 위험 요인 분석을 하였다. 스페인 바르셀로나 Quiron 병원 재활의학과의 Cugat R 박사팀은 전방 십자인대 손상 선수의 환측 및 건측, 선수능력이 비슷한 대조 군의 TMG 자료를 분석하여 넙다리뒤근육(hamstring) 보다는 넙다리네갈래근(quadriceps), 특히 넙다리곧은근의 근피로 및 근 강직도가 주요 위험요인이며 , 인대손상은 하지근육의 수축 속도, 피로 저항도, 및 근 강직도를 감소시킨다고 주장하였
다 27-29) . 또한 이들은 38명의 축구선수들의 좌우 하지의 신경-근
특성을 TMG로 분석한 결과, 자주 사용하는(dominant) 하지근 육과 반대쪽 간에 유의한 차이를 발견하지 못하였다고 보고하 였다 30) .
한편 Rey 등 31) 의 축구선수의 포지션별로 TMG 특성을 분석 하여 보고하였는데, 넙다리두갈래근보다는 넙다리곧은근에 서 포지션에 따른 유의한 차이를 관찰할 수 있었다 . 예를 들어 중앙 미드필더는 다른 포지션에 비해 작은 Ts를 나타냈으며, 외곽 수비수는 큰 Tc를 갖고 있었다. 이러한 특성들은 포지션 별로 훈련 및 운동손상 후 재활 등에 응용할 수 있을 것이다.
Garcia-Manso 등 32) 은 12명의 프로축구 선수들의 하지를 4 o C 냉수에 4분 동안 4회 담그도록 하면서 근 수축에 어떤 변화가 일어났는지를 TMG를 이용하여 관찰하였다. 냉수침수는 근육 의 강직도를 높이고 반응속도 및 수축속도를 감소시켰으며, 추위에 노출된 상태로 운동을 하면 운동수행능력에 영향을 줄 수 있으며 손상의 위험을 고려해야 한다고 주장하였다.
마지막으로 TMG 기계에 대한 신뢰도에 관한 연구도 최근 많이 이루어졌다. Krizaj 등 18) 은 매 10초마다 30회 연속 측정을 통해 단기 반복도(short-term repeatability)를 구하였는데, 매우 높은 intra-class correlation coefficient (ICC) 값(0.86–0.98)을 보고하였다. 이후 Tous-Fajardo 등 33) 은 두 명의 측정자 및 두 가지 전극간격 (3 cm vs. 5 cm)의 신뢰도 평가에서 각각 0.77–
0.97 및 0.62–0.97의 ICC 값을, Carrasco 등 34) 은 0.83–0.92의
ICC값을, Rey 등 31) 은 0.78–0.95의 ICC 값을 각각 보고하였는데,
특히 Dm과 Ts의 ICC값이 가장 높았고, Tr에서 가장 낮은
편이었다. Simunic 35) 은 보다 다양한 근육에서 3일 연속 측정하
면서 높은 신뢰도(between-day reliability)를 보고하였고, Ditroilo
등 36) 은 안정 시부터 피로 유발까지 4가지 다른 조건을 4주
간격으로 측정하여 장기적 안정도(logn-term stability)를 관찰
하였는데, 특히 Dm은 0.86–0.96의 높은 ICC 값을, 역시 Tr은
0.67–0.82의 조금 낮은 ICC 값을 보였다.
스포츠의학에서 TMG의 현 주소
TMG를 이용한 연구는 아직까지 많이 이루어지고 있진 않지만, 그 동안 많은 자료가 축적되어 앞으로 활발한 연구가 기대된다. 2만 명 이상의 운동선수들의 종목별, 성별, 포지션 별 , 근육부위 등에 따른 TMG 자료(TMG Comparison Databases) 가 프로그램에 축적되어 있어, TMG 측정 시 바로 자신의 자료와 비교할 수 있다 . 물론 동양인의 자료는 아직 거의 없지 만, 일본과 중국에서 이미 데이터베이스 구축이 진행 중에 있다.
지난 2015년 1월에 FIFA와 FC바르셀로나의 지원으로 만들 어진 Muscle Injuries Clinical Guide 3.0는 스포츠의학 전문가 들을 위해 근육 손상에 대한 진단, 수술, 재활, 및 예방 등에 대한 지침을 담고 있는데, TMG를 초음파와 함께 48시간 진단 방법으로 추천하였고 , 부상 선수의 현장 복귀를 결정하기 위해 정기적으로 시행하는 “근육의 기능적 회복(functional reco- very)에 대한 추적관찰 도구”로서 근전도 및 근력 검사와 함께 추천하였다.
평상 시 사전 자료(pre-evaluation data)를 얻는 것은 선수들의 부상 예방을 위해서, 진단 및 재활에도 매우 중요하다. 그런 의미에서 Garcia-Garcia 등 37) 의 보고는 매우 의미가 깊다. 이 연구는 스페인 프로축구 선수들의 시즌 시작 직후와 10주 후의 TMG 자료를 대조군과 비교하여 제시한 것으로, 스트레 스 검사와 달리 TMG는 간단하고 이동이 가능하며 비침습적으 로 시즌 내내 선수들을 모니터링함으로서 , 선수 개개인에 적합 한 훈련양 및 훈련강도를 조절하는데 매우 유효할 것이라고 하였다 37) .
맺음말